一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及物質(zhì)內(nèi)部成分探測設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：空間偏移拉曼光譜技術(shù)(SORS)是近年來出現(xiàn)的一種新型光譜測量技術(shù)，與傳統(tǒng)拉曼光譜技術(shù)相比，其光譜收集系統(tǒng)中收集透鏡的焦點(diǎn)與入射激光的焦點(diǎn)在空間上有一定距離的偏移。由于激光入射到被測樣品上(漫散射介質(zhì))，樣品內(nèi)部的激光強(qiáng)度會隨入射深度增加而指數(shù)型衰減，所產(chǎn)生的一部分散射光將到達(dá)樣品深層成分，經(jīng)多次散射后再返回樣品表面。因此，在樣品表面上，散射光返回的位置與激發(fā)光入射點(diǎn)處產(chǎn)生了不同程度的偏移。如果在某偏移位置處對散射光進(jìn)行收集，即可得到攜帶被測物質(zhì)內(nèi)部成份結(jié)構(gòu)信息的拉曼光。SORS技術(shù)中，拉曼信號激發(fā)-收集結(jié)構(gòu)的特殊性，使其具有很好的抑制表層成份拉曼和熒光光譜的能力，特別適用于對非透明材料下亞層成分拉曼光譜的提取，進(jìn)而實現(xiàn)物質(zhì)成份的快速、無損鑒定。目前已用于粉末、膠體、聚合體及藥品檢測、文化遺產(chǎn)鑒定、疾病診斷、違禁品安檢等方面的研究及應(yīng)用中，應(yīng)用前景極為廣闊。實際應(yīng)用中，SORS技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題是提高探測靈敏度，即增大探測深度和提高測量信號的信噪比，而所采用的激光輻照方式?jīng)Q定了其施加到待測樣品上激光功率的大小，進(jìn)而影響到激光與樣品的作用深度、激發(fā)出拉曼信號的強(qiáng)度及其信噪比。美國的M.V.Schulmerich采用錐透鏡和透鏡組合式輻照結(jié)構(gòu)，克服了SORS技術(shù)研究初期采用的點(diǎn)式輻照結(jié)構(gòu)中激光能量不足的弊端，增強(qiáng)了施加到待測樣品上的激光功率，使收集到的拉曼信號增強(qiáng)；英國盧瑟福·阿普林頓實驗室的輻照結(jié)構(gòu)更為簡化，其光學(xué)元件僅為一片錐透鏡。上述二者均實現(xiàn)了二維空間上偏移量從0開始的連續(xù)可調(diào)，但仍存在一定不足：a)非0空間偏移量的改變通過錐透鏡在光路方向上的移動來實現(xiàn)，而對0偏移量的光譜進(jìn)行測量時，需將光學(xué)元件(組合)從光路中移出。這樣反復(fù)移入和移出，容易引起平移臺重復(fù)定位的差異，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；b)二者均采用二維高精度平移臺，從經(jīng)濟(jì)方面來講，費(fèi)用偏高。鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)，其包括激光器、擴(kuò)束裝置、信號收集裝置、帶通濾波裝置、聚焦裝置、光譜儀和錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述擴(kuò)束裝置射入所述錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置后產(chǎn)生環(huán)形輻照光源，所述環(huán)形輻照光源照射待測樣品，所述信號收集裝置在所述環(huán)形輻照光源的中心處進(jìn)行信號光的收集，再經(jīng)過所述帶通濾波裝置消除信號光以外的各類雜散信號后，通過所述聚焦裝置聚焦到所述光譜儀進(jìn)行光譜分析，所述錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置包括：共軸平行放置的第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡，所述第一平凸錐透鏡和所述第二平凸錐透鏡的折射率相同，所述第一平凸錐透鏡的錐面和所述第二平凸錐透鏡的錐面方向相同，所述第一平凸錐透鏡的底角小于所述第二平凸錐透鏡的底角，所述第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡的底角均小于5°。較佳的，當(dāng)所述第一平凸錐透鏡和所述第二平凸錐透鏡之間的距離為d1時，所述錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置的產(chǎn)生的0偏移量輻照點(diǎn)距離所述第二平凸錐透鏡的距離d2滿足公式：d2=[d1·(n-1)θ1-r0+b·cotθ2+a-d1·(n-1)θ1+r0(1-1n)θ1+cos(1-1n)θ1·cotθ2·(1-1n)θ1]·cot(n-1)(θ2-θ1)]]>其中，n為第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡的折射率，θ1為第一平凸錐透鏡的底角，θ2為第二平凸錐透鏡的底角，r0為經(jīng)過擴(kuò)束后的激光光束半徑，b為第二平凸錐透鏡的底寬，a為第二平凸錐透鏡的半徑，0°＜θ1＜θ2＜5°。較佳的，當(dāng)所述第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡之間的距離d1固定不變時，改變0偏移量輻照點(diǎn)與第二平凸錐透鏡的距離d2，即可得到連續(xù)變化的環(huán)形輻照光源，該環(huán)形輻照光源的內(nèi)徑r2滿足公式：r2＝(d2-d)·cot(n-1)(θ2-θ1)其中，d為環(huán)形輻照光源與第二平凸錐透鏡之間的距離。較佳的，其還包括一維移動平臺，所述一維移動平臺用于改變所述錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置與所述待測樣品之間的距離。較佳的，其還包括計算機(jī)，所述計算機(jī)與所述光譜儀連接。現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要通過反復(fù)移入、移出錐透鏡以實現(xiàn)0偏移量的弊端，避免了由于重復(fù)定位引起的輻照不均勻性。僅通過一維方向上的平移，即可實現(xiàn)空間偏移量從0開始的連續(xù)可調(diào)，不僅降低了輻照裝置的復(fù)雜性，同時提高了其穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)可行。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明各實施例中的技術(shù)方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。圖1為本發(fā)明提供的一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)的原理圖；圖2為錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為經(jīng)過擴(kuò)束后的激光光束照射在錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置后的光路原理圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。如圖1所示，為本發(fā)明的一種空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)的原理圖，該探測系統(tǒng)主要針對危險品特別是液體爆炸物進(jìn)行測量，如TNT等爆炸物酸鈉、氯化銨、黑火藥、二甲苯、雙氧水和酒精等普遍含有硝基、氨基、苯環(huán)等基團(tuán)的違禁物品進(jìn)行檢測。該探測裝置包括：激光器101、擴(kuò)束裝置102、錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置103、信號收集裝置104、帶通濾波裝置105、聚焦裝置106、光譜儀107、計算機(jī)108和一維移動平臺1010。錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置103包括：共軸平行放置的第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡。該第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡的折射率相同，第一平凸錐透鏡的錐面和第二平凸錐透鏡的錐面方向相同，第一平凸錐透鏡的底角小于第二平凸錐透鏡的底角，第一平凸錐透鏡和第二平凸錐透鏡的底角均小于5°。激光器101發(fā)出的激光射入擴(kuò)束裝置102，經(jīng)擴(kuò)束裝置102進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直后形成激光光束，激光光束沿著兩個平凸錐透鏡的光軸方向入射到第一平凸錐透鏡的平面，經(jīng)過錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置103后形成環(huán)形輻照光源，將該環(huán)形輻照光源射向樣品池109中的待測樣品，通過一維移動平臺1010改變錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置103與待測樣品之間的距離，實現(xiàn)環(huán)形輻照光源內(nèi)徑的連續(xù)可變調(diào)節(jié)。通過信號收集裝置104在環(huán)形輻照光源的中心處進(jìn)行信號光的收集，再經(jīng)過帶通濾波裝置105消除信號光以外的各類雜散信號后，通過聚焦裝置106聚焦到光譜儀107的探頭上，通過計算機(jī)進(jìn)行光譜分析。當(dāng)環(huán)形輻照光源內(nèi)徑改變時，激發(fā)點(diǎn)與收集點(diǎn)間的相對距離發(fā)生變化，即實現(xiàn)了空間偏移拉曼光譜的探測。如圖2所示，圖2為錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置包括：共軸平行放置的第一平凸錐透鏡1和第二平凸錐透鏡2，該第一平凸錐透鏡1和第二平凸錐透鏡2的折射率相同，第一平凸錐透鏡1的錐面和第二平凸錐透鏡2的錐面方向相同，第一平凸錐透鏡1的底角小于第二平凸錐透鏡2的底角，第一平凸錐透鏡1和第二平凸錐透鏡2的底角均小于5°。當(dāng)經(jīng)過擴(kuò)束后的激光沿上述兩個平凸錐透鏡的光軸方向入射到第一平凸錐透鏡1的平面后，該新型錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置就能夠產(chǎn)生環(huán)形輻照光源。當(dāng)?shù)谝黄酵瑰F透鏡1和第二平凸錐透鏡2之間的距離為d1時，該新型錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置產(chǎn)生的0偏移量輻照點(diǎn)距離第二平凸錐透鏡2的距離d2滿足公式(1)：d2=[d1·(n-1)θ1-r0+b·cotθ2+a-d1·(n-1)θ1+r0(1-1n)θ1+cos(1-1n)θ1·cotθ2·(1-1n)θ1]·cot(n-1)(θ2-θ1)---(1)]]>其中，n為第一平凸錐透鏡1和第二平凸錐透鏡2的折射率，θ1為第一平凸錐透鏡1的底角，θ2為第二平凸錐透鏡2的底角，r0為經(jīng)過擴(kuò)束后的激光光束半徑，b為第二平凸錐透鏡2的底寬，a為第二平凸錐透鏡2的半徑，0°＜θ1＜θ2＜5°。當(dāng)?shù)谝黄酵瑰F透鏡1和第二平凸錐透鏡2之間的距離d1固定不變時，改變0偏移量輻照點(diǎn)與第二平凸錐透鏡2的距離d2，即可得到連續(xù)變化的環(huán)形輻照光源，該環(huán)形輻照光源的內(nèi)徑r2滿足公式(2)：r2＝(d2-d)·cot(n-1)(θ2-θ1)(2)其中，d為環(huán)形輻照光源與第二平凸錐透鏡2之間的距離。下面介紹如何獲取上述公式的過程，如圖3所示，為經(jīng)過擴(kuò)束后的激光光束照射在該錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置后的光路原理圖，設(shè)光束入射到第一平凸錐透鏡1的入射角為α，入射光線與折射光線夾角為β，折射角為γ，由折射定律可得：α＝θ1，γ＝α+β(3)n·sinα＝1·sinγ＝1·sin(α+β)(4)由于第一平凸錐透鏡1的底角θ1小于5°，(4)式可等價為：n·α＝α+β(5)即：β＝(n-1)α＝(n-1)θ1(6)圖3中令第一平凸錐透鏡1的頂點(diǎn)與光束在光軸OO′上交點(diǎn)間距離AB＝d0，兩錐透鏡之間距離AQ＝d1，光束在第二平凸錐透鏡2上形成的圓環(huán)內(nèi)徑為r1，可以得到：r1＝(d1-d0)·tanβ＝(d1-d0)·tan[(n-1)α]＝d1·tan[(n-1)θ1]-r0(8)設(shè)第二平凸錐透鏡2中一次折射的入射角為β，折射角為β1，二次折射的入射角為β2，折射角為γ2，由折射定律可得：1·sinβ＝n·sinβ1(9)n·sinβ2＝1·sinγ2(10)由于第二平凸錐透鏡2的底角θ2小于5°，公式(9)和(10)可分別等價為：β＝nβ1，nβ2＝γ2(11)由幾何關(guān)系可知：β1+β2＝θ2(12)由公式(11)和(12)可得到：γ2＝nβ2＝n(θ2-β1)＝nθ2-β(13)當(dāng)γ2＝θ2時，折射光線與光軸平行，此時滿足：γ2＝nθ2-β＝θ2(14)可以得出：β＝(n-1)θ2(15)即：θ2＝α＝θ1(16)由此可得，當(dāng)兩錐透鏡底角滿足0°＜θ1＜θ2＜5°的關(guān)系時，出射光線可相交于光軸上一點(diǎn)，在該點(diǎn)處即可實現(xiàn)0偏移量輻照。設(shè)第二平凸錐透鏡2中頂點(diǎn)為D，半徑為a，底寬為b，出射光束與光軸交點(diǎn)為E，與第二平凸錐透鏡2前表面交點(diǎn)為F，過F向光軸做垂線GF，γ3為GF與EF的夾角，令DE＝d2，由幾何關(guān)系可得：γ3=θ2+(π2-γ2)---(17)]]>GF＝r1+CF·sinβ1(18)GD＝GF·tanθ2(19)d2＝DE＝GE-GD＝GF(tanγ3-tanθ2)(20)延長入射光線的法線與第二平凸錐透鏡2前表面交于M，由幾何關(guān)系可得：CM＝b+a·tanθ2-r1·tanθ2(21)CF=CM·cotθ2sinβ1+cosβ1·cotθ2---(22)]]>整理可以得到：d2=[r1+(b+a·tanθ2-r1·tanθ2)·cotθ2sinβ1+cosβ1·cotθ2·sinβ1]·(tanγ3-tanθ2)---(23)]]>將γ2＝nθ2-β，β＝(n-1)θ1，β＝nβ1代入：γ3=π2-(n-1)(θ2-θ1)---(24)]]>d2={d1·tan[(n-1)θ1]-r0+b·cotθ2+a-d1·tan[(n-1)θ1]+r0sin(1-1n)θ1+cos(1-1n)θ1·cotθ2·sin(1-1n)θ1}·[cot(n-1)(θ2-θ1)-tanθ2]---(25)]]>由小角度近似，可化簡為：d2=[d1·(n-1)θ1-r0+b·cotθ2+a-d1·(n-1)θ1+r0(1-1n)θ1+cos(1-1n)θ1·cotθ2·(1-1n)θ1]·cot(n-1)(θ2-θ1)]]>環(huán)形輻照光源的內(nèi)徑r2與第二平凸錐透鏡2之間的距離d滿足：r2＝(d2-d)·cotγ3＝(d2-d)·cot(n-1)(θ2-θ1)本申請的錐透鏡環(huán)式激光輻照裝置及具有該裝置的空間偏移拉曼光譜探測系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要通過反復(fù)移入、移出錐透鏡以實現(xiàn)0偏移量的弊端，避免了由于重復(fù)定位引起的輻照不均勻性。僅通過一維方向上的平移，即可實現(xiàn)空間偏移量從0開始的連續(xù)可調(diào)，不僅降低了輻照裝置的復(fù)雜性，同時提高了其穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)可行。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3